Временные интерполирующие преобразователи для контроля сигналов в устройствах хранения данных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Медведев, Алексей Владимирович

• Медведев, Алексей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Медведев, Алексей Владимирович

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ФАЗОВОЙ ИНТЕРПОЛЯЦИИ

1.1 Обоснование способа фазовой интерполяции

1.2 Исследование процессов интерполяции и управляемой задержки

1.3 Генерирование мультифазных последовательностей импульсов

1.4 Фазовая синхронизация в системах хранения данных

1.5 Анализ характеристик интерполирующего устройства синхронизации

1.6 Выводы по главе

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ФАЗОВОГО ЗАПАСА И ОШИБКИ

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ДАННЫХ

2 Л Показатели искажений сигналов данных

2.2 Анализ процесса воспроизведения сигналов в канале чтения

2.3 Методика численного расчета вероятности ошибки

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ГЕНЕРИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФИ

3.1 Разработка программируемого генератора задержки

3.2 Исследование кольцевых генераторов на ПЛИС

3.3 Генерирование джиттера

3.4 Выводы по главе

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ВРЕМЯ-КОД ДЛЯ

КОНТРОЛЯ КАНАЛОВ ЧТЕНИЯ ДАННЫХ

4.1 Принципы цифрового измерения интервалов времени

4.2 Разработка интерполирующих преобразователей время-код

4.3 ПВК на основе опорной фазовой матрицы

4.4 Моделирование ПВК на основе опорной фазовой матрицы

4.5 Разработка и исследование интерполирующего ПВК на ПЛИС

4.6 Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Временные интерполирующие преобразователи для контроля сигналов в устройствах хранения данных»

Актуальность темы. В последние десятилетия цифровые методы представления и обработки сигналов не только получили повсеместное распространение в вычислительных устройствах и системах, но и составили основу управляющей, телекоммуникационной и измерительной техники. Точность преобразователей сигналов, в которых информативным параметром выступает временной интервал или фазовое отношение, определяется шагом дискретизации времени. В традиционных цифровых системах шаг дискретизации сигналов равен тактовому периоду, и сокращение кванта времени достигается путем увеличения тактовой частоты. Однако, хотя наблюдающийся прогресс микроэлектроники и оправдывает некоторые оптимистические прогнозы в отношении повышения рабочей частоты полупроводниковых приборов, всегда остаются задачи, решение которых требует кванта времени, существенно меньшего тактового периода.

Подобные задачи характерны для таких областей, как радиолокация и оптическая связь, измерение интервалов времени и фазовых сдвигов, фазовая синхронизация. Одна из областей, в которых важную роль играет размер кванта времени, - генерирование и контроль сигналов в информационных каналах устройств хранения данных, в частности в каналах чтения накопителей на магнитном носителе.

Поэтому одновременно с новыми технологическими способами повышения частоты прорабатывались также вопросы временной интерполяции тактового периода, то есть разделения его на части, размер которых мог служить новым квантом времени. Процедура разделения тактового периода (или в более общем случае произвольного интервала времени) применялась и прежде. В частности, об использовании для этой цели линий задержки в цифровых измерительных преобразователях известно из трудов В.М. Шляндина [79], в отношении систем синхронизации приемников на такую возможность указывал В. Линдсей [22]. В современной технике процесс получения дополнительных точек отсчета внутри некоторого интервала времени получил название фазовой интерполяции (ФИ).

Развитие собственно интерполирующих цифровых систем преобразования сигналов, главным образом аналого-цифровых преобразователей интервалов времени, наблюдаемое в последнее десятилетие, опирается на технологические достижения микроэлектроники. Дополнительный толчок совершенствованию техники мультифазных систем дало появление на рынке электронных компонентов программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), позволяющих оперативно создавать и проверять новые структуры и алгоритмы преобразования сигналов без трудоемких и дорогостоящих процедур разработки заказных БИС [10, 90]. Среди зарубежных исследований в области интерполирующих устройств и систем выделяются работы, выполненные в Стэнфордском университете (США) под руководством М. Хоровица [104], в университете Оулу (Финляндия) при активном участии Ю. Костамоваара, Т. Рахконена и А. Мянтиниеми [128], в европейском центре ядерных исследований CERN (Я. Арай, М. Мота, Е. Христиансен и др.) [82, 88, 119, 120], Национальном Тайваньском университете (группа исследователей во главе с П. Чен, Ш.-Ю. Лью) [84, 85, 137]. Вопросам преобразования сигналов посвящены многие работы отечественных исследователей, в том числе В.А.Чулкова, Н.Н. Коннова, Е.И.Гурина, Е.А.Мелешко, Т.М. Демьянчука, В.И. Нифонтова, Н.А. Бессоновой и ряда других [6, 11, 12, 14, 39, 41, 72].

Целью диссертационной работы является разработка и совершенствование преобразователей для контроля сигналов в информационных каналах устройств хранения данных с использованием принципа фазовой интерполяции.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- обоснование способа фазовой интерполяции как технического приема сокращения кванта времени в преобразователях сигналов устройств хранения данных;

- исследование элементов и узлов временных интерполирующих преобразователей;

- анализ процесса воспроизведения сигналов данных в канале чтения накопителя на магнитном носителе и усовершенствование методики численного расчета вероятности ошибки;

- создание интерполирующих генераторов для программируемой задержки сигналов, фазовой синхронизации и имитации джиттера сигналов в информационных каналах устройств хранения данных;

- разработка интерполирующих преобразователей время-код с сокращенным «мертвым» временем между смежными циклами преобразования для оценки фазовых искажений сигналов воспроизведения;

- разработка и экспериментальное исследование интерполирующих устройств на ПЛИС.

Научная новизна работы состоит в развитии научных основ и анализе процессов фазовой интерполяции, а также в создании принципиально новых устройств преобразования сигналов с использованием способа ФИ для контроля информационных каналов в устройствах хранения данных, в том числе:

- получены аналитические выражения, описывающие процессы регулирования времени задержки элементов ФИ, которые обосновывают применение способа ФИ для повышения разрешающей способности цифровых преобразователей сигналов без повышения их тактовой частоты;

- усовершенствована методика расчета вероятности ошибки в процессе воспроизведения цифровых сигналов данных в накопителе на магнитном носителе, которая в отличие от известных методик учитывает джиттер синхросигналов в его связи с джиттером сигналов данных, позволяет оценить фазовый запас канала чтения и уточнить требования к его параметрам;

- предложены новые технические решения интерполирующих устройств программирования задержки и генерирования импульсов с заданным джиттером. Разработанные устройства позволяют имитировать реальные цифровые сигналы в каналах чтения устройств хранения данных;

- разработаны новые схемы интерполирующих преобразователей однократных интервалов времени в цифровой код, работающие в реальном масштабе времени без выполнения продолжительных процедур оценки погрешности квантования, не требующие регулирования и калибровки и обладающие высокой стабильностью.

Практическая ценность. Использование результатов выполненных в диссертации исследований и разработок позволяют создать точные и производительные преобразователи сигналов для контроля каналов чтения в системах хранения данных. Применение разработанных интерполирующих генераторов позволяет имитировать реальные цифровые сигналы для оценки технических характеристик запоминающих устройств.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Аналитические выражения, описывающие процесс регулирования времени задержки в КМОП схемах ФИ, и их применение для проектирования элементов интерполирующих устройств.

2. Усовершенствованная методика расчета вероятности ошибки воспроизведения сигналов в накопителе на магнитном носителе, учитывающая джиттер синхросигналов в его связи с джиттером сигналов данных.

3. Способ и структуры устройств генерирования задержки и цифровых сигналов с заданным уровнем джиттера.

4. Комплекс технических решений интерполирующих устройств для преобразования однократных интервалов времени в цифровой код.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Медведев, Алексей Владимирович

4.6 Выводы по главе

1. Выполнен анализ известных способов прецизионного цифрового преобразования время-код, основным недостатком которых является большое «мертвое» время между смежными циклами преобразования, необходимое для оценки погрешности дискретизации. Разработана схема ПВК с прямой интерполяцией интервала времени цифровыми линиями задержки, обеспечивающей разрешение, равное времени задержки распространения логического вентиля с сокращенным «мертвым» временем.

2. Проанализирован способ достижения субвентильного разрешения в ПВК на основе опорной фазовой матрицы в виде множества связанных МКГ, путем моделирования в среде Simulink выполнена проверка функционирования устройства.

3. Разработан, реализован на ПЛИС и экспериментально исследован интерполирующий ПВК с фиксацией моментов возникновения событий «на лету» по субшкале отсчета МКГ без его останова с последующей коррекцией результата преобразования по текущему значению опорного периода.

128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе были развиты научные основы и проведено теоретическое исследование процессов фазовой интерполяции, предложены принципиально новые временные интерполирующие преобразователи, обеспечивающие повышение точности и производительности систем для контроля сигналов в устройствах хранения данных. Достигнуты следующие основные результаты:

1. Получены аналитические выражения, описывающие процессы регулирования времени задержки в элементах ФИ. Выполненное экспериментальное исследование характеристик разработанного и реализованного на ПЛИС кольцевого генератора подтвердило идентичность элементов задержки, необходимую для построения интерполирующих устройств.

2. Усовершенствована методика расчета вероятности ошибки воспроизведения сигналов данных в информационном канале магнитного накопителя, которая в отличие от известных методик учитывает джиттер синхросигналов в его связи с джиггером воспроизводимых сигналов. Применение полученных формул позволяет еще на ранних стадиях проектирования устройства хранения данных оценить верность воспроизведения и уточнить требования к характеристикам канала чтения.

3. Для контроля информационных каналов накопителей предложены способ и структуры устройств программирования задержки и генерирования импульсов с заданным уровнем джиттера, которые позволяют имитировать реальные сигналы с нормальным распределением фазовых отклонений при равномерном энергетическом спектре в канале чтения устройства хранения данных;

4. Разработаны новые технические решения интерполирующих преобразователей однократных интервалов времени в цифровой код. Построен на ПЛИС и испытан интерполирующий преобразователь однократных временных интервалов в цифровой код, погрешность преобразования которого не превышает плюс/минус единицы счета (315 пс) при существенном сокращении «мертвого» времени, не превышающем времени записи в регистр (282 пс).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Медведев, Алексей Владимирович, 2010 год

1. А. с. 1674231 СССР, МКИ G 11В 5/09. Устройство синхронизации воспроизводимых данных / В.А. Чулков. - №4744754/10; Заявл. 02.10.89; Опубл. 30.08.91; Бюл.№32.

2. А. с. 1688382 СССР, МКИ Н 03D 13/00. Частотно-фазовый компаратор / В.А. Кузьмин, В.А. Чулков. №4748303/09; Заявл. 11.10.89; Опубл. 30.10.91; Бюл. №40.

3. А.с. 866698 СССР, МКИ И 03D 13/00. Частотно-фазовый детектор / В.А. Чулков, А.Д. Глыбовский. № 2648788/18-19; Заявл. 21.07.78; Опубл. 23.09.81; Бюл. №35.

4. А. с. 983978 СССР, МКИ Н 03D 13/00. Частотно-фазовый компаратор / В.А. Чулков. №3325045/18-21; Заявл. 27.07.81; Опубл. 23.12.82; Бюл.№47.

5. Алексеев Е.Р., Чеснокова О. В. Mathcad 12. М: НТ Пресс, 2005. 352 с.

6. Бессонова Н.А. Морозов А.Г. Широкодиапазонный преобразователь время-код / Предпринт ИЭА-4366/16. Москва, 1986.

7. Бобнев М. П. Генерирование случайных сигналов. М.: Энергия, 1966. 120 с.

8. Богородицкий А. А., Рыжевский А.Г. Нониусные аналого-цифровые преобразователи. -М.: Энергия, 1975. 120 с.

9. Воднев В.Т., Наумович А.Ф., Наумович Н.Ф. Математический словарь высшей школы: Под ред. Ю.С. Богданова. 2-е изд. - М.: Изд-во МПИ, 1989.-527с., ил.

10. Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах с программируемой структурой. 2-е изд., перераб. и доп. -СПб.: БХВ-Петербург, 2006. - 736 е.: ил.

11. Гурин Е.И., Дятлов Л.Е., Конов Н.Н., Попов К.В., Севастьянов А.В. Нониусный измеритель временных интервалов на П.Л.И.С. // Приборы и техника эксперимента. 2004. - №4. - С. 44 - 48.

12. Гурин Е.И., Коннов Н.Н., Механов В.Б., Попов К.В. Быстродействующий нониусный измеритель временных интервалов // Приборы и техника эксперимента. 1997. - № 3. - С. 102 - 105.

13. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. Перев. с англ. Изд. 6-е. М.: Наука, 1983. - 172 с.

14. Демьянчук Т.М., Ткаченко К.В., Белей С.М. Быстродействующий преобразователь временных интервалов в код // ПТЭ. 1983. № 2, С. 86 87.

15. Дьяконов В.П. Matlab 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения. М.: Солон-Пресс, 2005. 800 с.

16. Князев Г.И., Михайлов В.И., Раков Б.М., Сурков В.Б. Определение вероятностей искажения позиций импульсов воспроизведения // В сб. "Вопросы радиоэлектроники", сер. ЭВТ. 1980. - вып. 10. - С. 9 - 14.

17. Колесов С.А., Бовырин В.В. Управляемые элементы задержки на интегральных ЭСЛ микросхемах // В сб. "Вопросы радиоэлектроники", сер.ЭВТ. 1985. - вып.9. - С. 126 - 132.

18. Комолов Д.А., Мяльк Р.А., Зобенко А.А., Филиппов А.С. Системы автоматизированного проектирования фирмы Altera MAX+plus II и Quartus II. Краткое описание и самоучитель. М.: ИП РадиоСофт, 2002. - 352 е.: ил.

19. Корн Г. Моделирование случайных процессов на аналоговых и аналого-цифровых машинах. М.: Мир, 1968. - 415 с.

20. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов: Второе издание. Пер. с англ. -М.: ООО "Бином-Пресс", 2007. 656 е.: ил.

21. Лалл Н. «Судный день» для ПЛИС: появление второго поколения структурированных ASIC // Электронные компоненты. 2008. - №1. - С. 24-31.

22. Линдсей В. Системы синхронизации в связи и управлении / Пер. с англ. Под ред. Ю.Н.Бакаева и М.В. Капранова. М.: Советское радио, 1978. — 600 с.

23. Медведев А.В. Преобразователь «время-код» на ПЛИС // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: труды Международной научно-технической конференции Пенза: Изд-во 111 У, 2009.-С. 122-126.

24. Медведев А.В., Чулков В.А. Генератор импульсов с фазовым дрожанием на ПЛИС // Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2009. -Т. 52. №1.-С. 50-54.

25. Медведев А.В., Чулков В.А. Интерполирующий преобразователь время-код на П.Л.И.С.// Приборы и техника эксперимента. 2009. - № 6. - С. 31 -35.

26. Медведев А.В., Чулков В.А. Кольцевые генераторы импульсов на ПЛИС // Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2009. Т. 52. №12.-С. 50-54.

27. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений : Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 535 е., ил.

28. Мелентьев Н.Г. Новые подходы в конструировании и технологии изготовления интегральных схем линий задержки // Электронная техника, сер.З. Микроэлектроника. 1991. - вып. 4 (143). - С. 47 - 50.

29. Мелешко Е.А. Быстродействующая импульсная электроника. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 320 с.

30. Михайлов В.И., Князев Г.И., Раков Б.М. Информационные каналы запоминающих устройств на магнитных дисках. М.: Энергоатомиздат, 1984.- 174 с.41.42,43,44,45,46,47,48,49,5053

31. Пат. 2133552 РФ, МКИ Н03К5/159. Генератор импульсов с нормированным фазовым шумом / В.А. Чулков. №98107484/09; Заявл. 24.04.1998; 0публ.20.07.1999.

32. Пат. 2260830 РФ, МКИ G04F10/04. Устройство для измерения интервала времени / В.А. Чулков. №2004108575/28; Заявл. 22.03.2004; Опубл. 20.09.2005.

33. Пат. 2385479 РФ МПК G04F 10/00. Интерполирующий преобразователь время-код / А.В. Медведев. №2008120114/28; Заявл. 20.05.2008; Опубл. 27.03.2010, Бюл. № 9.

34. Пат. 5436939 США, МКИ H03D 003/24. Multi-phase clock generator and multiplier / Co, Ramon S., Kao, Ron. №316801; Заявл. 03.10.1994; Опубл. 25.10.1995; НКИ 375/376.

35. Пат. 5742208 США, МКИ НОЗВ 029/00, H03L 007/06, H03L 007/18 Signal generator for generating a jitter/wander output / Blazo, Stephen F. №709024; Заявл. 06.09.1996; Опубл. 21.04.1998; НКИ 331/23.

36. Пат. 6100735 США, МКИ H03L 007/06. Segmented dual delay-locked loop for precise variable-phase clock generation / Lu, Crist Y. №197320; Заявл. 19.11.1998; Опубл. 08.08.2000; НКИ 327/158.